ทฤษฎีสัมพัทธภาพ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ มีสองส่วน คือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (ค.ศ. 1905) และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (ค.ศ. 1915) ทั้งสองเปลี่ยนความเข้าใจเรื่องเวลา อวกาศ และแรงโน้มถ่วงไปอย่างสิ้นเชิง

สัมพัทธภาพพิเศษ

ตั้งอยู่บนหลักสองข้อ คือกฎฟิสิกส์เหมือนกันสำหรับผู้สังเกตทุกคนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ และความเร็วแสงในสุญญากาศเท่ากันเสมอไม่ว่าผู้สังเกตจะเคลื่อนที่อย่างไร ผลที่ตามมาฟังดูแปลกแต่ได้รับการยืนยันแล้ว

• การยืดของเวลา นาฬิกาที่เคลื่อนที่เร็วเดินช้ากว่านาฬิกาที่อยู่นิ่ง เมื่อมองจากผู้สังเกตที่อยู่นิ่ง
• การหดของความยาว วัตถุที่เคลื่อนที่เร็วจะสั้นลงในทิศการเคลื่อนที่
• มวลกับพลังงานเป็นสิ่งเดียวกัน ตามสมการ E = mc² มวลน้อยนิดเปลี่ยนเป็นพลังงานมหาศาลได้ ซึ่งเป็นที่มาของพลังงานในดาวฤกษ์
• ไม่มีสิ่งใดที่มีมวลเคลื่อนที่เร็วถึงความเร็วแสงได้

ตัวอย่างที่ชัดเจนคือมิวออน อนุภาคที่เกิดเมื่อรังสีคอสมิกชนบรรยากาศชั้นบน มิวออนมีอายุสั้นมากจนไม่น่าจะเดินทางถึงพื้นโลกได้ แต่เพราะเคลื่อนที่เร็วใกล้แสง เวลาของมันเดินช้าลง เราจึงตรวจพบมิวออนจำนวนมากที่พื้นโลก

สัมพัทธภาพทั่วไป

ไอน์สไตน์เสนอว่าแรงโน้มถ่วงไม่ใช่แรงดึงที่ส่งผ่านอวกาศ แต่เป็นผลของมวลและพลังงานที่ทำให้กาลอวกาศโค้ง วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวที่ "ตรงที่สุด" ในกาลอวกาศที่โค้งนั้น ซึ่งเราเห็นเป็นวงโคจร นักฟิสิกส์จอห์น วีลเลอร์ สรุปไว้ว่า กาลอวกาศบอกสสารว่าจะเคลื่อนที่อย่างไร และสสารบอกกาลอวกาศว่าจะโค้งอย่างไร

หลักฐานที่ยืนยัน

• อธิบายการหมุนควงของวงโคจรดาวพุธได้พอดี
• แสงดาวเบี่ยงเบนเมื่อผ่านใกล้ดวงอาทิตย์ วัดได้ระหว่างสุริยุปราคาปี ค.ศ. 1919
• เลนส์ความโน้มถ่วง ดาราจักรมวลมากทำหน้าที่เป็นเลนส์ขยายและบิดภาพของวัตถุที่อยู่ไกลกว่า
• เวลาเดินช้าลงในบริเวณที่แรงโน้มถ่วงสูง
• คลื่นความโน้มถ่วง ตรวจพบโดยตรงในปี ค.ศ. 2015
• หลุมดำ ซึ่งทฤษฎีนี้ทำนายไว้ และถูกถ่ายภาพได้ในปี ค.ศ. 2019

สัมพัทธภาพในชีวิตประจำวัน

ดาวเทียม GPS โคจรเร็ว นาฬิกาจึงเดินช้าลงตามสัมพัทธภาพพิเศษ แต่อยู่สูงในแรงโน้มถ่วงที่อ่อนกว่า นาฬิกาจึงเดินเร็วขึ้นตามสัมพัทธภาพทั่วไป ผลรวมทำให้นาฬิกาบนดาวเทียมเดินเร็วกว่าบนพื้นราว 38 ไมโครวินาทีต่อวัน ถ้าไม่แก้ค่านี้ ตำแหน่งที่ GPS บอกจะคลาดเคลื่อนสะสมราว 10 กิโลเมตรต่อวัน